Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биохимическое обоснование технологии получения пектина повышенной биологической ценности из соцветий полсолнечника

ВАК РФ 03.00.04, Биохимия

Автореферат диссертации по теме "Биохимическое обоснование технологии получения пектина повышенной биологической ценности из соцветий полсолнечника"

РГС од

На правах рукописи

СОБОЛЬ Ирина Валерьевна

УДК 664.292.061.34

БИОХИМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕКТИНА ПОВЫШЕННОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ ИЗ СОЦВЕТИЙ ПОДСОЛНЕЧНИКА

Специальность 03.00.04. - Биохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертэции на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар 1997г.

Работа выполнена в научном, центре "Биотехпереработка" Кубанского государственного аграрного университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

академик Академии инженерных наук Украины Л.В.Донченко

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор, академик Академии промышленной экологии РФ, В.Г.Щербаков

Зав. отделом хранения и переработки плодов Северо-Кавказского научно-исследовательского института садоводства и виноградорства, кандидат технических наук, Т.Г.Причко Защита диссертации состоится "15я мая 1997г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета К063.40.03. Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, г.Краснодар, ул.Московская, 2, кор.А, конфи-ренцзал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КубГТУ.

Автореферат разослан ' ' 1997г.

Ученый секретарь специализированного совета канд. техн. наук, доцент /

А.Д.Минакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Создание безотходных и малоотходных технологий, широкое использование при переработке растительного сырья вторичных ресурсов является одним из важнейших направлений повышения эффективности производства.

Актуальность исследования в области производства пектина обусловлена потребностью в нем пищевой и медицинской промышленности.

В настоящее время потребность пищевой промышленности в пектине и других студнеобразователях удовлетворяется лишь на 20...30 % и восполняется за счет закупок из-за рубежа.

Еще более остра потребность в медицинских пектинах из-за повсеместного ухудшения экологической ситуации во многих регионах страны, в природных комплексообразователях обладающих радиопротекторными и детоксицирующими свойствами.

Одним из основных путей решения проблемы является расширение ресурсов студнеобразующего сырья, а также научное обоснование и разработка новых способов получения пектиносодержащих продуктов с высокими студнеобразующими свойствами из неиспользуемых или малораспространенных видов сырья.

Научная и практическая значимость проблемы развития производства пектина с высокими показателями качества потверждается включение ее в виде отдельных проектов в государственные научно-технические программы.

Национальная программа "Дети Украины" (Киев, сентябрь 1996г., N 63/96); ГНТП "Высокоэффективные процессы в перерабатывающих отраслях АПК", проект "Пектин" (1990 - 1995гг.).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Биохимическое обоснование и разработка технологий производства пектина на основе применения пектолитических ферментов и углубленного исследования химических особенностей углеводного комплекса соцветий (корзинок) подсолнечника как пек-тинсодержащего сырья из 10 современных и перспективных сортов подсолнечника, определение физико-химических свойств получаемого пектина и пектинопродуктов на его основе и прогнозирование ме-дикобиологических аспектов применения их.

В соответствии с целью определены следующие задачи:.

1. Исследовать биохимические особенности соцветий - корзинок подсолнечника десяти современных сортов как перспективного сырья для промышленного получения пектина повышенной биологической ценности.

2. Провести изучение влияния подготовительных операций технологии пектинового производства из соцветий - корзинок подсолнечника к гидролизу - экстрагированию пектиновых веществ для повышения выхода пектина и получения качественного готового продукта.

3. Изучить влияние промышленных препаратов пектолитических «ферментов на кинетику процесса извлечения пектиновых веществ из термически обработанного пектиносодержащего сырья.

4. Разработать усовершенствованную технологию получения, пектина пищевого и медицинского назначения.

5. Определить качественные показатели пектина полученного по предлагаемой технологии из соцветий - корзинок 10 современных и перспективных сортов подсолнечника, районированных на Кубани, и прогнозировать область его применения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований доказана целесообразнорть предварительной обработки соцветий - корзинок подсолнечника перед процессом гидролиза - экстрагирования пектиновых веществ (измельчение, термическая обработка пектолитическими ферментами) для улучшения диффузионных свойств сырья и качества получаемого пектина.

Проведено комплексное исследование влияния температуры, .вида и концентрации гидролизующего агента, продолжительности обработки на кинетику процесса гидролиза - экстрагирования, обеспечивающих наиболее полное извлечение пектиновых веществ с заданными свойствами.

Установлена зависимость выхода и качественных показателей пектиновых веществ от химического состава корзинок подсолнечника и от способа их обработки перед хранением.

На основе метода полного факторного эксперимента получена математическая модель процессов подготовки сырья и извлечения

пектиновых веществ, позволяющая прогнозировать качество целевого продукта при изменении технологических параметров.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Результаты исследований, выводы и предоложения диссертационной работы нашли практическое применение и использованы для:

и определения условий и продолжительности хранения сухих

корзинок подсолнечника; ■ разработки технологической схемы подготовки корзинок подсолнечника к процессу извлечения пектиновых веществ; в выбора ферментов и определения оптимальных технологических параметров ферментного гидролиза; , а разработки технологии извлечения и выделения пектиновых веществ с высокими студнеобразующими и комплексообра-зующими свойствами; о составление рекомендаций по выбору сорта подсолнечника

для производства пектина; о расширение области применения подсолнечного пектина в

пищевой промышленности. Модифицирован кальций-пектатный метод количественного определения пектиновых веществ в корзинках подсолнечника.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 1-ом Всероссийском научно-техническом семинаре "Научные и практические пути решения проблемы производства пектина" (г.Краснодар, 1993г.); научно-практических конференциях факультета плодоовощеводства и виноградарства Кубанского Госагроуниверситета (г.Краснодар, 199396гг.); краевой школе-семинаре молодых ученых "Научное обеспечение сельскохозяйственного производства' (г.Краснодар, 1995г.); 1-ой конференции Северо-Кавказского региона "Современные достижения биотехнологий" (г.Ставрополь, 1995г.); научно-технической конференции "Научные . основы прогрессивных технологий хранения и переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания человека (г.Углич, 1995г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 7 научных трудов, подана заявка на предполагаемое изобретение.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемой литера

туры и приложений. Работа изложена на /57 стр. машинописного текста, из которых стр. основного текста, 45 рисунков, 34 таблицы. Список используемой литературы содержит //3 наименований, из них иностранные.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ПЕРВАЯ ГЛАВА. "Современные представления о технологии пектиновых веществ из корзинок подсолнечника" посвящена характеристике пектиновых веществ, анализу особенностей биохимического состава корзинок подсолнечника как пектиносодержащего сырья и влияния условий хранения корзинок подсолнечника на изменение содержания пектиновых веществ, изучению зависимости показателей качества пектиновых веществ от способов извлечения их из сырья. Приведена характеристика основных пектиновых ферментов.

В отличие от широко распространенных видов пектиносодержа- . щего сырья (цитрусовые и яблочные выжимки, свекловичный жом) корзинки подсолнечника, как источник пектина, обладают некоторыми специфическими биохимическими особенностями. В их составе, кроме значительного количества клетчатки, достаточно высокое содержание липидов, протеина и безазотистых экстрактивных веществ, в составе которых растворимые и нерастворимые углеводы, включая пектиновые вещества. Содержание пектиновых веществ в корзинках подсолнечника колеблется от 22,0 до 35,7 % в зависимости от возраста и фазы спелости растения, почвенно-климатических условий выращивания и некоторых других. При этом наименьшее количество пектиновых веществ определено в период налива семян, наибольшее - в период цветения и уборки.

Много в корзинках подсолнечника соединений кальция и фосфора до 0,55 % от сухой массы корзинок, общего фосфора• и фосфоросодержащих соединений, в том числе минеральных фосфатов, фосфорных эфиров, белкового фосфора, присутствие которых обуславливает особый вкус и аромат пектина из подсолнечника, что резко ограничивает, по мнению ряда исследователей, его применение в пищевой промышленности.

Данные по изменению пектиновых веществ в корзинках подсолнечника в процессе хранения не отражают всей кинетики изменения I их и обусловливают необходимость дополнительных исследований.

Аиализ влияния способов выделения' пектиновых веществ на показатели их качества выявил специфичность подсолнечного пектина, которая определяется его химическим составом. Сравнительно высокое содержание кальция в подсолнечном сырье дает основание для вывода о том, что в протопектине подсолнечника преобладают ионные связи. Потому для извлечения пектиновых веществ из подсолнечника необходимо использовать гидролизующий агент, блокирующий ионы кальция. В этом отношении представляют интерес водные растворы соляной и щавелевой кислот, а также щавелево-кислого аммония.

Отмечено что пектиновые вещества локализованы в различных частях растения неравномерно. В корзинках подсолнечника они находятся в белой внутренней ткани корзинки в основном в виде протопектина (водонерастворимой форме), который составляет основу пекто-целлюлозной оболочки клетки и срединной пластинки, и служат как бы цементирующим веществом, скрепляющим клетки в единую ткань.

Перевод пектиновых веществ в растворимое состояние осуществляют путем ферментативного, кислотного или щелочного гидролиза.

Условия гидролиза-экстрагирования должны быть такими, чтобы обеспечить высвобождение крупных молекул пектина без повреждения целостности молекулярной цепи, что достигается при комплексном воздействии кислоты (щелочи) и температуры при определенной продолжительности процесса.

Анализ существующих технологий пектина показал, что соляная, азотная, сернистая и серная кислоты, используемые для гидролиза протопектина яблочного и цитрусового сырья, обусловливают необходимость использования химических реагентов для очистки пектина, в то время как использование лимонной, молочной и щавелевой кислот позволяет сократить число технологических стадий очистки.

Следовательно, качество получаемого промышленного пектина зависит от способа подготовки сырья к гидролизу, эффективно проведенного гидролиза и от применяемого осадителя.

На основании анализа литературы обоснованы задачи исследования.

ВТОРАЯ ГЛАВА. "Объекты и методы исследования". Объектами исследований служили 10 районированных на Кубани и в других регионах России перспективных сортов подсолнечника - Юбилейный-60, Лидер, Флагман, Кондитерский (СПК), Атаман, ВНИИМК 8883, Березанский, Кавказец, Родник, Передовик - урожая 1993-96гг., выращенных на опытных полях научно-исследовательского института масличных культур (ВНИИМК) и пектин, полученный из корзинок-соцветий.

Схема исследований представлена на рис.1.

Экспериментальные исследования и анализ полученных результатов проводились в лабораториях НЦ "Биотехпереработка" КубГАУ. В лабораторных условиях образцы хранили при комнатной температуре, после термической обработки и без нее.

Для оценки качества подсолнечного пектиносодержащего сырья определяли влажность весовым методом, рН водной вытяжки - по-тенциометрическим методом, содержание пектиновых веществ - модифицированным нами кальций-пектатным методом. Активность пек-толитических ферментов в сырье определяли потенциометрическим (активность пектинэстеразы - ПЭ) и титриметрическим (активность полигалактуроназы - ПГ) методами.

В пектиновом экстракте определяли содержание пектиновых веществ методом спиртового осаждения, содержание сухих веществ рефрактометрическим методом, рН - потенциометрическим методом; в пектине определяли влажность - высушиванием, содержание пектина - кальций-пектатным методом, рН - потенциометрическим методом, содержание метоксильных, карбоксильных и ацетильных групп в пектине определяли кондуктометрическим методом, молекулярную массу пектино-вискозиметрическим методом.

Студнеобразующую способность подсолнечного пектина определяли по методике Л.Б.Сосновского.

Комплексообразующие свойства пектина изучали in vivo по отношению к солям тяжелых металлов на примере азотнокислого свинца и никеля.

Количество поглощенных металлов определяли трилонометриче-

ски.

Биохимические Сбор корзинок подсолнечника Химик сыохно-

показатели

Пектиновые вещества (растворимый пектин, протопектин)

(высушенных в поле) Обмолот Доставка Измельчение Термическая обработка Хранение

логические показатели

__Ферментация

Выделение пек- |

тина, изучение Гидролиз-экстрагирование

его свойств |

-Разделение гидролизной

смеси

Осаждение пектина

I

Выделение сырого пектина

I

Сушка пектина

I

Пектин

(исследование качественных показателей)

Математическая обработка результатов исследования

Разработка технологии получения подсолнечного пектина для последующего использования в пищевой промышленности

Рис.1. Схема исследования корзинок подсолнечника

-8В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ "Разработка способов подготовки корзинок подсолнечника к процессу извлечения пектина" изложены результаты аналитических исследований влияния условий хранения и ферментной обработки растительного сырья - корзинок подсолнечника -перед гидролизом, на выход пектиновых веществ, процессы набухания измельченных обработанных ферментами корзинок подсолнечника и глубины извлечения растворимых балластных по отношению к пектину веществ с помощью неполярных растворителей.

Известно, что хранение корзинок подсолнечника в измельченном виде обуславливает необходимость больших складских помещений. В результате проведенных нами исследований по выяснению влияния размера частиц сырья на выход пектиновых веществ показано, что оптимальными являются частицы подсолнечного сырья размерами 4,5х10"3...5,0х10"3м, в связи с чем корзинки подсолнечника после уборки рекомендовано измельчать до получения частиц указанной величины.

Установлено, что корзинки подсолнечника в качестве пектинового сырья могут быть использованы или непосредственно после уборки или после хранения. Как показали исследования, в процессе хранения содержание пектиновых веществ в сырье снижается, что объясняется высокой активностью пектолитических ферментов сырья - полигалактуроназы и пектинэстеразы. Кроме того, высокое содержание белков (до 6,2 %) и липидов (до 3,5 %) также отрицательно влияет на количество и качество извлекаемого пектина. Специфический химический состав сырья обуславливает необходимость термической обработки корзинок подсолнечника перед хранением и, соответственно, перед гидролизом.

Результаты экспериментальных исследований показали, что при термической обработке измельченных корзинок подсолнечника (подсолнечной крупки) при ЮО°С в течение 2ч происходит глубо-гая денатурация белковых веществ и практически полное инактивация пектолитических ферментов.

Термическая обработка ослабляет химическую связь между молекулами целлюлозы, протопектина и прочих аморфных полисахаридов, входящих в состав клеточных стенок и срединных пластинок клеток растений. Проницаемость клеток возрастает, выход пектина

увеличивается. Термическая обработка крупки из корзинок подсолнечника, предотвращая микробиологическую порчу подсолнечного сырья, обеспечивает ее длительное хранение без изменений качества.

Изучено изменение активности пектолитических ферментов которое показало, что наибольшую активность их наблюдалт у свежесобранного сырья, через 12мес. активность полигалактуроназы уменьшается примерно в 5 раз, пектинэстерозы- в 2 раза. В зависимости от активности этих ферментов изменяется и выход пектиновых веществ из сырья.

Установлено, что при включении в технологическую схему получения пектина процесса набухания высушенного подсолнечного сырья выход пектиновых веществ не изменяется. Следовательно, процесс предварительного набухания не обеспечивает повышения выхода пектиновых веществ из подсолнечного сырья, как это достигается при набухании перед гидролизом сушеного свекловичного жома и яблочных выжимок. Таким образом, вводить этот процесс как самостоятельную операцию в технологическую схему извлечения пектина из корзинок подсолнечника нецелесообразно.

Предварительную подготовку сырья к процессу гидролизаэкс-трагирования осуществляли путем обработки его органическими растворителями. Основываясь на том , что в состав смолистых веществ корзинок подсолнечника входят полифенолы, эфирные масла, смолы, липиды различных классов, в том числе фосфолипиды, аглико-ны различные ароматические соединения, т.е. гидрофобные вещества нерастворимые в малополярных органических растворителях, предварительную обработку подсолнечного сырья проводили ацетоном и этилацетатом в интервале температур от 10 до 30 °С при длительности обработки от 0.02 до 0.66ч и гидромодуле 1:15.

Результаты исследований показали, что предварительная обработка подсолнечного сырья органическими неполярными растворителями повышает выход пектиновых веществ из сырья в 1,8...2,0 раза. Более высокий выход получен при обработке сырья этилацетатом. Высказано положение, что этилацетат образует высокоагрега-тированные частицы с различными веществами, входящими в состав клеточной стенки подсолнечного сырья и извлекает липиды, смоли-

стые, красящие, полифенольные и другие малополярные вещества из корзинок подсолнечника, ослабляя прочные связи пектина с целлюлозой клеточной стенки, обеспечивая подготовку сырья к извлечению целевого продукта.

Анализ полученных данных показал, что оптимальными параметрами обработки сырья этилацетатом являются температура 20 °С, продолжительность 0,5ч при гидромодуле 1:15.

Кроме повышения выхода пектиновых веществ положительным результатом предварительной обработки крупки из подсолнечных корзинок является улучшение органолептических показателей и студнеобразующей способности извлекаемого пектина.

Однако практическое применение для предварительной обработки пектиносодержащего сырья неполярных растворителей в промышленных условиях связано с определенными трудностями (необходимостью герметизации оборудования, применением дорогостоящего растворителя, требующего устройств для регенерации, немаловажны также вредные условия труда при работе с летучими растворителями, нарушение экологии).

Поэтому в дальнейших исследованиях мы изучали возможность использования ферментных препаратов для интенсификации процесса извлечения пектина.

Для предварительной обработки подсолнечного сырья перед гидролизом использовали ферментные препараты: пектофоетидин ПЮХ, полиэнзимный комплекс целлюлозно-пектиназного действия (ПЭК), Ультразим 100Г концентрацией 0,1 ...0,2 % на сухую массу сырья.

При исследовании варьировали продолжительность, температуру обработки подсолнечного сырья и концентрацию ферментов (табл.1.).

Обладая различными видами ферментативной активности, используемые препараты по-разному действовали на пектиносодержа-щее сырье и, следовательно, на величину выхода пектина, который колебался в широких пределах (9,7...33,1 %).

Наибольший выход пектина отмечен при действии ПЭГ и

о

иЮОг, при температуре 40 С и концентрации 0,1...0,2 %. Выход целевого продукта составил 32,80...33,07 %.

Таблица 1.

Влияние предварительной обработки ферментными препаратами корзинок

Продолжи- Температу Концентра Выход пектиновых веществ, Концентра Выход пектиновых веществ, %

тельность ра обра- ция фер- % ция фер-

обработки, ботки, мента, мента,

ч °С % (на сухую массу сырья) ПФ ПЭК и ЮОг % (на сухую массу сырья) ПФ ПЭК и ЮОг

0,5 20 0,1 11,68 21,6 21,81 0,2 11,87 21,87 21,88

1,0 20 0,1 10,9 22,5 22,29 0,2 11,91 22,61 22,3

2,0 20 0,1 11,7 22,50 22,51 0,2 12,01 22,58 22,7

3,0 20 0,1 11,5 22,3 22,7 0,2 12,0 22,55 22,8

0,5 40 0,1 13,8 31,3 32,5 0,2 14,02 31,8 32,8

1,0 40 0,1 14,6 31,8 32,94 0,2 14,6 31,95 33,07

2,0 40 0,1 14,63 32,0 32,4 0,2 14,72 32,9 33,01

3,0 40 0,1 14,8 31,95 32,3 0,2 14,91 32,07 32,9

0,5 60 0,1 9,8 17,4 17,6 0,2 10,5 17,9 18,3

1,0 60 0,1 10,01 18,0 18,0 0,2 10,71 18,05 18,6

2,0 60 0,1 9,71 17,3 18,1 0,2 10,48 17,86 18,9

3,0 60 0,1 9,74 17,78 17,95 0,2 10,48 17,81 18,2

ПФ - пектофоетидин П10Х ПЭК - полиэнзимный комплекс ШООг - ультразим ЮОг

целлюлозно-пектиназного действия

По нашему мнению это связано с наличием у ферментных препаратов ПЭК и 1Л00г высокой общей целлюлолитической активности, вследствие чего они действуют на связи протопектина с целлюлозой, ослабляя их и способствуя повышению выхода пектина. Анализ пектина, полученного после предварительной ферментной обработки сырья, показал его высокое качество - было достигнуто снижение содержания балластных веществ на 40...50 пунктов, пектин имел отличные органолептические показатели.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА "Разработка технологии извлечения пектиновых веществ из корзинок подсолнечника" включает исследования влияния вида и концентрации применяемой кислоты на кинетику извлечения пектиновых веществ из корзинок подсолнечника, влияния температуры и продолжительности процесса гидролиза на показатели качества пектина, а также изучение зависимости выхода и качества пектиновых веществ от сорта подсолнечника.

Известно, что в корзинках подсолнечника преобладают карбоксил-связанные пектиновые вещества, удерживающиеся в клетке благодаря карбоксил-карбоксильным взаимодействиям посредством ди-мерных групп и кальциевых мостиков.

При взаимодействии гидролизующего агента с молекулами протопектина происходит разрыв "солевых мостиков", обусловливающий образование растворимых пектиновых веществ.

При исследовании процесса гидролиза применяли измельчение корзинок подсолнечника высушенные в естественных условиях. Продолжительность и температуру гидролиза выбирали с учетом литературных данных. По окончании гидролиза отделяли пектиновый экстракт, осаждали пектин спиртом, после чего его промывали, отжимали, измельчали и сушили.

Эффективность процесса гидролиза-экстрагирования пектиновых веществ различными гидролизующими агентами (соляная, серная и щавелевая кислоты, и щавелевый аммоний) оценивали по выходу и студнеобразующей способности пектина. Результаты исследований показали, что максимальный выход пектина получен в случае, когда гидролизующим агентом является щавелевая кислота, в этом случае выход пектина достигает 11,2 % при студнеобразующей способности 33,6 кПа (рис.2). При гидролизе щавелевокислым аммонием выход пектина ниже в 1,5 раза, студнеобразующая способность

-1320,1 кПа. Минимальный выход получен *при использовании соляной и серной кислот, при этом студнеобразующая способность снизилась на 50-60 пунктов.

& -Г 6 ¿г рЦ

Рис.2. Влияние гидролизующего агента и рН на выход пектина

1 - соляная кислота;

2 - щавелевая кислота;

3 - щавелевокислый аммоний;

4 - серная кислота

С повышением рН среды от 1,0 до 1,4 выход пектина увеличивается для всех гидролизующих агентов. При дальнейшем повышении рН до 1,8 выход пектина увеличивается незначительно для щавелевой кислоты, остается постоянным для серной кислоты и щавелевокислого аммония и резко уменьшается при использовании соляной кислоты.

Установлено, что при увеличении продолжительности процесса гидролиза-экстрагирования пектиновых веществ от 0,5 ч до 2,0 ч происходит увеличение выхода пектина до 25,4 % (на сухую массу сырья) (рис.3). Это объясняется тем, что корзинки подсолнечника содержат, в основном, протопектин, находящийся в глубоких слоях клетки в связанном состоянии.

26 20

1й

70

8О

30

г.с

1.0

го

Рис.3. Влияние температуры и продолжительности гидролиза на

выход пектина

1 - температура процесса_ _

2 - продолжительность процесса -

Поэтому для его извлечения необходимы жесткие условия, в часто о

ности, повышение температуры от 70 С до 90 С. При таких условиях кроме максимального выхода достигается и наилучшее качество пектина. Студнеобразующая способность при таких параметрах составляет 61,35 кПа. Однако при увеличении продолжительности гидролиза до 3,0 ч при температуре 90 С происходит снижение выхода пектина. Это связано с деградацией пектиновых веществ до низкомолекулярных соединений при излишне длительном воздействии температуры и кислоты и кислоты.

Поскольку в соцветиях-корзинках подсолнечника различных сортов количество пектиновых веществ и их состав может быть разным в зависимости от сорта, бяли проведены сравнительные исследования различных сортов подсолнечника с целью определения выхода и качества пектина.

Исследовано десять сортов подсолнечника, районированных в Краснодарском крае. Результаты исследований показали, что содержание пектиновых веществ в корзинках подсолнечника значительно колеблется в зависимости от сорта, степени зрелости и т.д. Определение количества пектиновых веществ в корзинках подсолнечника модифицированным нами кальций-пектатным методом пока

зало, что их содержание колеблется от 33,48 % до 35,90 % (ни сухую массу сырья). Установлено, что наибольшее количество пектиновых веществ содержится в корзинках подсолнечника сорта Кавказец, наименьшее - в соцветиях-корзинках сорта Кондитерский.

Выход пектина колеблется от 29,0 % из сорта ВНИИМК 8883 до 32,6 % у сорта Кавказец. Количество балластных веществ изменяется от 10,8 до 18,6 %. Степень извлечения пектиновых веществ из корзинок подсолнечника достигает 80-85 %, что значительно выше чем из яблочного и цитрусового сырья (50-60 %). На рис.4 показана динамика изменения показателей качества пектина из разных сортов подсолнечника. Высокой комплексообразующей способностью обладает пектин из сортов Юбилейный, Атаман, несколько ниже она у пектина из сортов Кавказец, Родник, ВНИИМК. Пектин из корзинок этих сортов подсолнечника можно рекомендовать для профилактического и лечебного применения. Наиболее высокой студнеобразующей способностью обладает пектин из корзинок подсолнечника сортов Лидер , Березанский и Родник. Эти сорта можно рекомендовать для производства студнеобразующего пектина для пищевой промышленности.

Дальнейшие исследования были посвящены изучению физико-химических характеристик пектина, полученного из корзинок подсолнечника исследуемых сортов.

Из табл.2 видно, что молекулярная масса подсолнечного пектина, полученного из различных сортов подсолнечника изменяется от 123260 до 155270 Да. Содержание свободных карбоксильных групп колеблется в пределах 11,28...14,80 %, количество ацетильных групп изменяется от 0,87 до 1,51 %.

Таким образом, результаты исследования показателей качества пектина, полученного из десяти сортов подсолнечника показали, что выход целевого продукта достаточно высок независимо от сорта подсолнечника. При этом пектин имеет хорошие органолептические показатели - отсутствие специфического смолянистого привкуса и запаха.

Таблица 2.

Физико-химические показатели пектина из корзинок подсолнечника различных сортов.

Сорта подсолнечника Степень ЗТсрИфИ- кации, % Молекулярная масса, у.е.хЮ3 (АО Свободные карбоксильные группы, % Метокси-лированные карбоксильные группы, % Ацетиль ные группы, % Содержание пектина в промытом порошке, %

Юбилейный-60 44,4 123,2 13,24 9,25 0,87 85,80

Атаман 44,5 123,3 12,51 9,32 0,92 81,74

Кавказец 48,4 125,3 14,75 10,41 1,07 90,05

ВНИИМК 8883 48,6 125,4 12,48 \г,70 1,51 86,31

Родник 49,1 135,2 11,28 11,67 1,04 83,35

Флагман 50,3 155,2 14,80 10,80 0,88 84,40

Кондитерский 50,5 139,6 11,90 11,33 1.12 81,85

(СПК)

Передовик 51,4 148,7 12,12 10,20 0,93 88,71

Березанский 52,3 134,9 13,06 11,23 0,97 86,77

Лидер 53,4 144,5 12,69 12,80 1,49 84,56

Для определения максимальной степени извлечения пектиновых веществ и определения влияния технологических параметров на процесс гидролиза-экстрагирования проведено математическое моделирование.

На основе лабораторных исследований, принимая гипотезу о линейности модели относительно варьируемых переменных, выбран полный факторный план эксперимента (ПФЭ).

Эффективность процесса гидролиза оценивали по студнеобра-зующей способности и остаточному содержанию пектиновых веществ в сырье после гидролиза. В качестве функции отклика принято соотношение

у= У1/У2 = СП/По (1)

где СП - студнеобразующая способность,

П0 - остаточное содержание пектиновых веществ в сырье Математическая модель процесса представляется в следующем уравнении в кодированных обозначениях:

Г= 32,2 + 3,8X1 + г,2Х2 - 2,5Х3 + 0,ЗХ,Х2 + 0,ЗХ2Х3 - (2)

-17- 2,ЗХ1Хз + 0,9X1X2X3 , где Х1 - продолжительность процесса, ч

о

Хг - температура, С Хз - концентрация кислоты, %. Уравнение, полученное в виде линейного полинома, является основой для поиска оптимальных условий, при этом все параметры контролируемы.

Поскольку выбор контролируемых параметров процесса экстрагирования осуществляется на основе требований к пектину при учете вклада каждого выделенного фактора, то нами оценены коэффициенты влияния (чувствительности) в действительных значениях.

Установлено, что наиболее "чувствительным" фактором является продолжительность гидролиза, затем температура и в последнюю очередь концентрация кислоты.

Этот вывод согласуется с литературными данными о том, что при повышении температуры из-за частичного термического гидролиза концентрация пектина в жидкой фазе увеличивается. Однако, при слишком длительном воздействии температуры происходит расщепление пектиновых молекул на низкомолекулярные соединения, что влечет за собой снижение студнеобразующей способности.

Кроме того, из уравнения математической модели гидролиза пектиновых веществ следует, что абсолютная величина коэффициента фактора X) - В1 выше, чем вг, т.е. продолжительность оказывает большее влияние на показатель параметра оптимизации. Полученное уравнение регрессии процесса гидролиза-экстрагирования позволило определить оптимальные условия процесса: температура 85...90 С, продолжительность 2ч, концентрация кислоты 0,3 %.

Разработана математическая модель процесса подготовки корзинок подсолнечника к гидролизу. Эффективность процесса подготовки оценивалась по выходу пектиновых веществ и студнеобразующей способности пектина.

В качестве функции отклика принято соотношс,,..: у= У]/Уг = СП/Вп (3)

где СП - студнеобразующая способность, Вп - выход пектиновых веществ

Математическая модель процесса представлена в следующем уравнении регрессии в кодированных обозначениях:

У= 2 7,7 + 0,6Х, + 2,5Хг + 0,8Х3 + 1,6X1X2 + (4)

+ 0,6X2X3 - 0,7X1X3 - О.гХДгХз , где Х1 - концентрация ферментного препарата, %

о

Хг - температура, С Хз - продолжительность, ч Установлено, что наиболее "чувствительным" параметром является концентрация фермента, затем продолжительность и температура Среды.

На основе полученного уравнения регрессии найдены оптимальные условия процесса: температура 40 С, концентрация ферментного препарата 0,1 % (к массе сырья), продолжительность 1 ч.

ПЯТАЯ ГЛАВА "Разработка технологии получения подсолнечного пектина и пектинопродукгов с использованием ферментных препаратов" посвящена разработке технологии получения пектиновых веществ (пектина и пектинового экстракта) на основании результатов исследований и включающей следующие основные технологические стадии: измельчение корзинок подсолнечника, термическая обработка измельченного сырья, обработка сырья пектолитическими ферментными препаратами, процесс гидролиза-экстрагирования пектиновых веществ, отделение пектинового экстрата, его осаждение и очистка, сушка полученного порошка пектина (рис.5) Подсолнечный пектин, полученный по разработанной технологии, имеет высокую прочность студня и молекулярную массу, желе, полученное из него, прозрачно, бесцветно, не имеет привкуса подсолнечника, по вкусовым качествам не отличается от желе, выработанного из яблочного пектина. Готовый пектин имеет показатели, приведенные в табл.4

Таблица 4

Показатели качества подсолнечного пектина

Наименование показателей Подсолнечный пектин

Внешний вид, цвет, запах Легкопересыпающийся порошок белого с желтоватым оттенком цвета, без запаха, слегка кисловатого вкуса

Влажность, % 14,0

Содержание пектина (в порошке 84,0

пектина), %

Рис.5 Аппаратурно-технологическая схема производства пищевых пектиновых веществ из корзинок подсолнечника: 1,5 - бункер; 2,3 - транспортеры; 4 - экстракторы; 6,7,8,14 -сборники; 9 - насосы; 1О - фильтр; 11 - теплообменники; 12 - колонки с ионообменными смолами; 13 - распылительная сушилка; 15 - центрифуга; 16 - тележка; 17 - дробилка; 18 - эл.маг.сепаратор; 19 - вакуум-сушилка.

Наименование показателей Подсолнечный пектин

рН 1%-го водного раствора пек- 3,7

тина

Прочность 2%-го студня пектина 62,5

по методу Сосновского), кПа

Комплексообразующая способ- 520

ность, мгРв2+/г пектина

Результаты исследований явились основой для разработки технических условий на пектин пищевой сухой подсолнечный (ТУ ).

При разработке технологии получения пектина из корзинок подсолнечника одним из объектов исследования был пектиновый экстракт, являющийся полупродуктом пектинового производства.

Качество пектинового экстракта изменяется в зависимости от параметров предварительной обработки сырья, вида гидролизующего агента и его рН. Экстракт выработанный из сырья без предварительной обработки имеет плохие качественные показатели; низкое содержание спиртоосаждаемых пектиновых веществ (0,2...0,8 %), высокое содержание балластных веществ. Это, в свою очередь, обуславливает низкие органометрические показатели пектинового экстракта.

Предварительная термическая обработка подсолнечного сырья и последующая обработка пектолитическими ферментными препаратами намного улучшает показатели качества пектинового экстракта. Использование экстрактов или, так называемых, "жидких" пектинов является весьма перспективным для производства пищевых изделий массового ассортимента и лечебно-профилактического питания.

В ШЕСТОЙ ГЛАВЕ "Медикобиологические аспекты применения подсолнечного пектина" показано, что предлагаемая технология производства пектина из корзинок подсолнечника позволяет получить высококачественный пектин без посторонних запахов, пригодный к использованию в пищевой промышленности, для производства продуктов массового спроса и профилактического питания.

Высокая комплексообразующая способность по отношению к тяжелым и радиоактивным металлам дает возможность использовать подсолнечный пектин в лечебном и лечебно-профилактическом питании в качестве детоксиканта. В табл.6 приведены результаты ис-

Таблица 5.

Сравнительные физико-химические показатели пектинового экстракта_

Наименование показателей подсолнечный Пектиновы свекловичный л экстракт яблочный (X) | (XX) цитрусовый (х) 1 (ххх)

Внешний вид, цвет, запах РН Содержание сухих веществ, % Студнеобразующая способность, USA-SAG о Температура студнеобразования, С Содержание пектиновых веществ, % Крахмал Вязкая жидкость бледно-желтого цвета, без запаха 3,6 3,0 3,3 75 2,6 отсут< Вязкая жидкость серого цвета, без запаха 2,9 7,8 2,0 80 2,5 :твует Вязкая жидкость желтого цвета, без запаха 3,1 3,1 4,5 4,5 84 83 1,5 1,5 отсут< Вязкая жидкость бледно-желтого цвета, без запаха 3,1 3,2 4.6 4,6 80 82 1.7 1,6 гтвует

х) - пектиновый экстракт, полученный по технологии Ассоциации "Пектин"; хх) - жидкий пектин "типа F* фирмы "Grill & Grosman" (Австралия); ххх) - пектиновый экстракт фирмы "Bulmer" (Великобритания)

го

следований комплексообразующей способности пектина разных сортов подсолнечника по отношению к ионам свинца и никеля и студ-необразующей способности. Высокие значения комплексообразующей способности и низкая степень этерификации позволяют использовать подсолнечный пектин в профилактических напитках. Преведены результаты исследований по разработке пектиносодержащих напитков на основе фруктовых соков с введением в рецептуру подсолнечного пектина

Таблица 6.

Выход и качественные показатели пектина из корзинок подсол-

нечника различных сортов

Сорт подсол- Общее Выход Количест-во Студнео Комплек

нечника содержан пектина, балластных бразую- -

ие пек- % веществ, % щая сообраз

тина в способн ующая

сырье, % ость способн ость, мгМе/г

э/а ферм ?в2+

Кондитерский 40,59 31,0 29,9 18,15 72,4 526 352

(СПК)

ВНИИМК 8883 41,71 29,0 29,0 13,69 65,3 576 372

Лидер 43,8 31,8 31,8 14,44 72,8 424 338

Березанский 42,90 29,1 28,8 13,23 73,8 458 344

Родник 41,75 31,8 31,6 16,65 75,9 570 362

Флагман 41,01 - 31,3 27,5 15,60 70,4 528 356

Атаман 41,29 32,5 30,6 18,26 71,4 646 384

Кавказец 41,94 32,6 30,1 10,05 70,8 580 374

Передовик 41,81 30,4 24,8 11,29 69,8 484 346

Юбилейный-60 43,69 29,6 26,2 14,20 64,4 651 390

Пектин, получаемый из различных сортов подсолнечника, отличается высокой студнеобразующей способностью, что позволяет использовать его в качестве студнеобразователя. Мармелад, приготовленный на основе подсолнечного пектина в лабораторных условиях имеет отличный вкус и характеризуется высокими показателями качества.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Анализ существующей технологии отечественных и зарубежных схем показал, что основными причинами несовершенства производства подсолнечного пектина являются: отсутствие научно обоснованных режимов подготовки сырья и процесса гидролиза-экстрагирования пектиновых веществ.

2. С учетом биохимических особенностей пектиносодержащего подсолнечного сырья доказано целесообразность термической обработки корзинок подсолнечника, позволяющая увеличить срок хранения их до 24 месяцев без снижения качественных показателей пектина.

3. Установлено, что для повышения диффузионной проводимости растительной ткани и выхода целевого продукта необходима предварительная подготовка корзинок подсолнечника перед извлечением пектина путем их обработки неполярными органическими растворителями или ферментными препаратами. Показана эффективность ферментной обработки, увеличивающая выход пектиновых веществ до 19,7...33,1 %.

4. Наилучшими ферментными препаратами, при использовании которых достигаются высокие выход и качественные показатели пектиновых веществ, являются полиэнзимный комплекс целлюлозно-пектиназного действия (ПЭК) и Ультразим 100г.

5. Определены оптимальные технологические параметры процесса подготовки корзинок подсолнечника к процессу гидролиза-экстрагирования пектиновых веществ (температура, продолжительность и концентрация растворителя или ферментного препарата).

6. Установлено, что основными технологическими параметрами, определяющими кинетику процесса извлечения пектиновых веществ и их качественные показатели, являются сорт сырья, степень его зрелости, вид и концентрация гидролизующего агента, температура и продолжительность процесса.

7. Результаты исследований показали, что высокие выход и качественные показатели целевого продукта достигаются при применении щавелевой кислоты и проведением процесса гидролиза-экстрагирования при рН среды , температуре в течение час. для всех изученных сортов подсолнечника.

8. Составлена математическая модель процессов подготовки корзинок подсолнечника к извлечению целевого продукта и гидролиза-экстрагирования пектиновых веществ, позволяющая прогнозировать качество пектина в зависимости от технологических параметров.

9. Разработана технологическая схема производства пектинового экстракта и сухого пектина из корзинок подсолнечника с высокими студнеобразующей (55...62,5 кПа) и комплексообразующей (450...520 мгРвг+/г) способностями.

10. Результаты проведенного комплексного исследования корзинок подсолнечника как пектиносодержащего сырья позволяют сделать вывод о возможности расширения промышленного производства подсолнечного пектина пищевого назначения с высокими качественными показателями.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

1. Совершенствование технологии пектина из корзинок подсолнечника /В.В.Надыкта, В.В.Нелина, И.В.Соболь, Л.Я.Родионова //Тез .докл. 1-го Всероссийского научн.-технич. семинара-совещания "Научные и практические пути решения проблемы производства пектина". Краснодар, - 1993г. - с.21.

2. Перспективы использования пектина при производстве парфюмерно-косметических препаратов /И.В.Соболь, Л.В.Донченко //Пищевая технология. - 1994г. - N6. - с.27.

3. Исследование комплексообразующей способности пектина, полученного из корзинок подсолнечника /Л.В.Донченко, И.В.Соболь //Материалы I конференции Северо-Кавказского региона "Современные достижения биотехнологии". Ставрополь. - 1995г. -с.21.

4. 0 расширении области применения пектиновых экстрактов полученных по экотехнологии /Л.Я.Родионова, Т.И.Костенко, Л.В.Ерофеева, Л.В.Донченко, Н.С.Карпович, И.В.Соболь //Тез.докл. 1\Лго научн.-технич. семинара "Электротехнология пектиновых веществ". Киев. - 1993г. - с.21

-255. Корзинки подсолнечника - перспективное сырье для получения пищевого пектина /И.В.Соболь //Тез. докл. научн.-теорет. конференции "Научные основы прогрессивных технологий хранения и переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания человека". Углич. - 1995г. - с.

6. Влияние условий предварительной обработки корзинок подсолнечника на выход и качество пектина /И.В.Соболь, Л.В.Донченко, Л.Я.Родионова, В.В.Нелина //Материалы Всероссийской конференции "Современные достижения биотехнологии". Ставрополь. - 1996г. -с.54-55.

7. Изменение качественных показателей подсолнечного пектина в зависимости от сортового состава подсолнечника /И.В.Соболь, Л.В.Донченко, Л.Я.Родионова, В.В.Суровикин //Материалы Всероссийской конференции "Современные достижения биотехнологии". Ставрополь. - 1996г. - с.54-55.

»

Типография Кубанского ГАУ, заказ тираж 100